Day28_【深度学习（7）—卷积神经网络CNN】

前言

        深度神经网络：处理复杂数据，并自动提取特征。

        卷积神经网络：专用来处理图像数据。

数据类型：

• 结构化数据：全连接神经网络。
• 图像数据：CNN卷积神经网络。（CV领域）
• 文本数据：RNN循环神经网络等。（NLP领域）

卷积神经网络（CNN）

• 背景：传统神经网络的线性层Linear对图像处理效果不佳，计算量太大
• 概念：包含卷积层的神经网络。

其实是在全连接神经网络的隐藏层中增加了卷积层和池化层

1.结构

• 输入层
• 隐藏层：
  • 卷积层
  • 池化层
  • 全连接层
• 输出层

因此以下只讲述隐藏层的部分

2. 卷积层

作用：提取图像特征。

2. 1 卷积核（神经元）

特点：

• 有权重
• 形状：一般是3*3、5*5、7*7、9*9、11*11等奇数尺寸。
• 卷积核的通道数：不是超参数，等于输入数据的通道数。
• 卷积核的数量：是超参数，等于特征图的通道数。

特征图是个整体，由多个通道组成。一个卷积核对应一个通道数，多个卷积核则对应多个通道数。

2.2 特征图

• 尺寸公式                
• 向下取整

                

2.3 超参

• Padding（填充）
  • 在图像的边界周围添加额外像素（通常是0或1）。
  • 作用
    • 保留图像的边缘信息，防止丢失。
    • 提高性能。
    • 可以使卷积后的特征图尺寸与原图像尺寸相同。

                ​​​​​​​        

• Stride（步长）
  • 卷积核在图像上滑动的步伐大小：通常为1或2。
  • 作用
    • 影响特征图尺寸。
    • 降低计算复杂度。

        

2.4 卷积计算

核心就是做加权求和：图像数据 点积 卷积核=特征图

分为：

• 多通道 卷积计算

• 多卷积核 卷积计算

                        

每个数据图像的每个(3个)通道 和 每个(2个)卷积核的每个(3个)通道 点积 得到每个(2个)特征图，每个(2个)特征图上对应位置上的元素相加(最后每个位置再加偏置值)

2.5 计算API

nn.Conv2d()

3. 池化层

作用：降维，让计算量提速。

3.1特点

• 池化层的窗口没有权重，只有大小：一般设置窗口大小为3*3，步长为2。这两个都是超参数。
• 池化层的输出和输入的通道数是相等：对宽、高两个维度进行池化，通道数不能池化。

3.2 超参

• stride（步长）：通常设为2
• padding（填充）：通常设为1

3.3 分类

• 单通道池化
• 多通道池化

3.4 计算API

• 最大池化
  • 一般使用，计算量小。
  • 实现方法：nn.MaxPool2d()

• 平均池化
  • 实现方法：nn.AvgPool2d()

        

4. 全连接层

        经过卷积和池化的特征图仍然是空间结构化的。全连接层的作用是将这些分散的、空间化的特征整合成一个一维向量，然后通过学习权重，将这些高级特征组合起来，做出最终的分类决策。